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化學制備的石墨烯,為什麽不能用來當cpu的材料

1、化學制備的石墨烯都有壹定的拓撲或性能缺陷,難以用於石墨烯CPU或者電子學材料。

氧化-還原法的缺點是制備的石墨烯存在壹定的缺陷,例如,五元環、七元環等拓撲缺陷或存在-OH基團的結構缺陷,這些將導致石墨烯部分電學性能的損失,使石墨烯的應用受到限制,

氣相沈積法所得的石墨烯相對機械剝離法制備的石墨烯難以轉移;壹些使用氣相沈積法所得石墨烯中沒發現量子霍爾效應,說明氣相沈積法可能會影響石墨烯的某些特性,

而完全無缺陷的石墨烯我們叫它原始石墨烯,由於其二維性質,電荷分數化(低維物質的單獨準粒子的表觀電荷小於單位量子)會發生於石墨烯。因此,原始石墨烯是制造量子計算機所需要的任意子元件的合適材料。

高定向熱裂解石墨、鱗片石墨和微晶人造石墨適合用於溶劑剝離法制備石墨烯。溶劑剝離法可以制備高質量的石墨烯,整個液相剝離的過程沒有在石墨烯的表面引入任何缺陷,為其在微電子學,包括今後制作CPU,提供了壹種思路,缺點是產率低。

2、石墨烯CPU可能的工藝路線圖:

a、單電子晶體管(SET)方向

SET是利用Coulomb阻塞效應來工作的壹種量子器件。SET具有功耗低、靈敏度高和集成容量大等突出的優點, 現在被認為是傳統的微電子MOS器件之後最有發展前途的新型納米器件之壹,相關工藝很可能成為納米電子學,也可能是高集成度石墨烯CPU的核心工藝。但目前受微細加工技術水平和寄生電容的限制;難控制的殘留電荷使得SET的集成化比較困難。

最近利用電子束光刻與幹刻蝕的方法已經將同壹片石墨烯加工成量子點、引線和柵極,獲得了室溫下可以操作的石墨烯基單電子場效應管,解決了目前單電子場效應由於納米尺度材料的不穩定性所帶來的操作溫度受限問題,至少暗示可以借用現在的MOS工藝稍加改造制作石墨烯SET。

b、雙層石墨烯場效應管(FET)方向

在兩層石墨烯之間加電壓打破對稱性,可以在幾百meV的範圍調節帶隙。使之可以用於未來的微處理器。用這種方法幾乎可以借用現在的MOS工藝稍加改造制作石墨烯CPU,換種說法:使用雙層石墨烯的FET有可能獲得高的導通/截止比。例如有人將柵長縮小至20~15nm,在導通電流、導通/截止比及S因子等特性方面,可獲得與最尖端的Si-MOSFET匹敵的性能。比如,導通/截止比可改善至104左右,S因子可改善至110mV/dec,導通電流超過英特爾的32nm工藝的邏輯LSI用MOSFET。

C、利用石墨烯納米帶的量子限制

通過尺寸效應或量子受限(如在石墨烯納米帶) 引入能隙。對於手性納米帶,導帶與價帶間的帶隙隨著手性角的變化發生振蕩,對於某些類型的石墨烯納米帶,通過調節納米帶寬實現對帶隙寬度的調節(能隙與納米帶寬之間存在反比關系)。基於以上帶隙調制原理石墨烯場效應晶體管。通過在雙層石墨烯納米線中引入幾何形狀(比如彎管和邊角等),可以有效地切斷電流,將石墨烯設置成二維的蜂巢結構,通過壹個獨特的管道結構,制作石墨烯場效應晶體管(GFETs)可將開關頻率提高了1000多倍,將幾何形狀引入石墨烯管道內是壹個新想法,該方法在讓GFETs保持結構簡單的同時獲得卓越的性能,借此可以超越目前已有的CMOS技術,研發出更加高級的晶體管因此,可以很容易實現商業化生產。

後兩條路線更容易使用常規加工技術, 甚至可能在壹片石墨烯上直接加工出各種半導體器件和互連線, 制作全碳集成電路。

3、CPU級石墨烯大致的要求:

微電子應用或者CPU要求半金屬石墨烯不僅具有高載流子濃度和載流子遷移率,亞微米尺度的彈道輸運特性和電場調制載流子特性;可以在室溫下穩定存在,室溫下高的載流子遷移率(普通矽片的十倍);室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性也是石墨烯作為納米電子器件最突出的優勢,使對高速CPU極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能;較大的費米速度和低接觸電阻則有助於進壹步減小器件開關時間,超高頻率的操作響應特性是石墨烯基CPU的另壹顯著優勢。用石墨烯器件制成CPU的運行速度可達到1T(1012) Hz,比現在常見的1G(109) Hz的計算機快1000倍。此外,CPU級石墨烯的電子遷移率和空穴遷移率兩者幾乎相等,事其N型場效應晶體管和P型場效應晶體管是對稱的,CPU級石墨烯還具有零禁帶特性,即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相幹長度也可為微米級,為壹種性能非常優異的半導體材料。

CPU級石墨烯還要求極低的1/f噪聲。納米器件隨著尺寸的減小,被稱做1/f的噪音會越來越明顯,使器件信噪比惡化,這種現象稱為“豪格規則( Hooge's Law)”。如何減小1/f噪聲也是實現石墨烯CPU的關鍵問題之壹。不過這主要和加工有關。

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